第10章 基因与发育

第10章

基因与发育110.1

免疫体系发育及免疫球蛋白基因表达2免疫系统的细胞通过一个被称为“分子识别”的过程鉴别“外来物质”。一旦检测到有外来物质存在，它们就用产生特异性抗体或类似方法将其消灭。免疫系统是动物的主要防御系统，包括淋巴细胞（lymphocyte，分B淋巴细胞和T淋巴细胞）及组织相容性抗原两部分。巨噬细胞（macrophage）也参与免疫反应。34T淋巴细胞产生于胸腺（thymus），它的主要功能是产生T淋巴细胞受体，识别产生抗体的B淋巴细胞，以帮助巨噬细胞发挥功能。组织相容性抗原（histocompatibilityantigen），保证机体识别自身细胞和异源细胞，参与淋巴细胞及其他许多细胞间的反应。B淋巴细胞由骨髓产生，主要功能是制造用于对付外来抗原的抗体，它专一地识别相应的抗原。5抗体、T淋巴细胞受体和组织相容性抗原是免疫系统中3种最重要的成份。这3类蛋白的共同特点：多样性。每类蛋白质都由一个巨大的基因家族编码，有许多变异型。在抗体和T淋巴细胞受体中，基因片段重排导致了所编码蛋白质的多样性。6生物体内存在着两条不同的免疫途径：体液免疫

细胞免疫

在体液免疫中，B淋巴细胞首先识别外源致病因子或其他任何形式的抗原，通过浆细胞（即成熟B淋巴细胞）不断分泌出能溶于血液蛋白质中的免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）。10.1.1脊椎动物免疫系统78Ig（抗体）分子通过特定的结合位点形成抗原-抗体复合物，最终被巨噬细胞所吞噬。Ig最高可占血液总蛋白的20%。9细胞免疫体系中，受体细胞产生出类似Ig、紧密结合在细胞膜表面的蛋白质分子，与T淋巴细胞表面的受体专一结合，导致感染细胞被降解。10生物体内存在的两条主要免疫途径体液免疫细胞免疫BCellTCell11两类获得性免疫反应都由在血液和淋巴组织之间循环的淋巴细胞（nucleatedleukocytes，whitebloodcells）所介导。体液免疫由B淋巴（细胞）介导；细胞免疫体系由T淋巴（Ｔ细胞）介导。1210.1.2B淋巴细胞及其发育和分化哺乳动物B细胞产生于骨髓中。成熟B细胞主要存在于淋巴结皮质浅层的淋巴小结及脾脏的红髓与白髓淋巴小结内，在抗原刺激下可分化为浆细胞，合成和分泌免疫球蛋白来识别相应的外来抗原，执行机体的体液免疫功能。13B细胞和T细胞的发育过程胸腺抗体反应细胞介导的免疫反应粘液囊淋巴细胞141.B细胞的分化哺乳类动物B细胞的分化过程可分为以下几个阶段：祖B细胞、前B细胞、未成熟B细胞、和成熟B细胞等。其中祖B细胞、前B细胞、未成熟B细胞的分化不依赖于抗原，其分化过程在骨髓中完成。15B细胞的发育过程抗原非依赖阶段：在胎肝或骨髓淋巴干细胞祖B细胞前B细胞未成熟细胞成熟B细胞抗原依赖阶段：外周淋巴器官成熟B细胞sIgM+sIgD+活化B细胞sIgM+sIgD+抗原记忆B细胞sIgG+sIgA+浆细胞胞浆Ig16

B细胞在骨髓成熟后，迁移至各个外周淋巴器官，构成外周B细胞库。当接受抗原后可发生活化、增殖，大部分分化为浆细胞，小部分停止分化为记忆性B细胞。172.B细胞膜表面分子标记膜表面球蛋白是B细胞的重要标志，是B细胞特异性识别抗原的受体。未成熟B细胞表达IgM，成熟B细胞同时表达IgM、IgD、IgG、IgA和IgE。B细胞表面Ig的可变区都由VH和VL基因编码。记忆B细胞表面不存在IgD，抗原刺激后B细胞表面IgD也消失。18T细胞功能10.1.3T淋巴细胞发育及分化

T淋巴细胞（Tlymphocyte），简称T细胞，来源于骨髓的淋巴样干细胞，其主要功能是产生T淋巴细胞受体。

直接执行细胞免疫功能;通过产生多种细胞因子或表达黏附分子等手段，与其他免疫细胞发生直接或间接的相互作用，从而发挥广泛的免疫调节功能。19

T细胞的分化与发育研究小鼠胸腺细胞的发育过程表明，在胚胎发育到11-12天时，淋巴干细胞进入胸腺，并在胸腺微环境的影响下迅速发生增殖和分化。20四、免疫球蛋白的结构免疫球蛋白（Immunoglobulin，Ig)

指具有抗体活性，或化学结构与抗体相似的球蛋白。主要存在于血液和其它分泌液中，也可以存在于B细胞表面。21抗体（antibody，Ab）机体免疫细胞被抗原激活后，由分化成熟的B细胞(浆细胞)所合成与分泌的一类能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。Ab是重要的免疫分子，主要存在于血液、体液和粘膜分泌液中，介导体液免疫效应。Ab是功能描述，Ig是化学结构描述；221、基本结构

（1）

Ig是由两条相同的重链（H）和两条相同的轻链（L），借其中形成的二硫键而彼此连接在一起的四肽链结构分子。

23（2）

重链分、、、、五类，对应的抗体分别为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE；轻链分、两型，每个Ig的L链完全相同。（3）

可变区：H链N端的1/4和L链N端的1/2区域内，氨基酸的种类、排列顺序与构型的变化很大，故称可变区。

24（5）骨架区：可变区中除去超变区部分的氨基酸变化相对较小。（6）恒定区：H链C端的3/4和L链C端的1/2区域内，氨基酸的种类、排列顺序与构型相对恒定。（4）超变区：可变区（V）中部分区域的氨基酸组成、排列顺序和构型更易变化，其中VH有4个，VL有3个。25五、免疫球蛋白的基因结构

免疫球蛋白分子由Igk、Ig

和Igh基因编码，它们是3个基因家族，分别位于不同的染色体上。编码一条免疫球蛋白多肽链的基因是种系中数个分隔开的DNA片段经重排后产生的。261.免疫球蛋白轻链基因结构κ基因位于人类第2号染色体上，其可变区和恒定区分别由不连续的V基因和C基因编码。V与J基因以多拷贝形式存在，其中V基因簇含有约300个拷贝。人

轻链基因库的组成27λ基因。小鼠有两个Vλ基因：Vλ1和Vλ2。人类Vλ基因有30个拷贝。小鼠Cλ基因簇有4个拷贝，而人类Cλ基因有6个以上的拷贝。基因表达过程中，每个Vλ基因都和Cλ基因成对排列。282.免疫球蛋白重链基因结构人重链基因位于14号染色体，由V、D、J和C四种不同基因片段组成。编码重链V区基因长约1000－2000kb，包括V、D、J三组基因片段。每个V基因片段上游有L基因片段，编码20－30个疏水性氨基酸的信号肽。人重链基因库的组成29Ig重链基因也是由VH、JH和CH片段编码的。比轻链还多了个D基因片段，它位于VH和JH片段之间。在小鼠的胚系中L-VH串联排列，然后是一组12个D片段，再接着是4个JH片段。在恒定区基因是由一组基因组成，在小鼠中此基因簇依次为μ、δ、γ3、γ1、γ2b、γ2a、ε、α八个基因，分别编码重链IgM，IgD，IgG，IgE和IgA的恒定区。小鼠重链基因库的组成30不同的Ig家族的V.D.J.C基因数家族VDJC人小鼠人小鼠人小鼠人小鼠Lλ<3002764>64Lκ<300～10005511H～300>1000～301244983110.1.6Ig基因重排与DNA的多样性

一个生物为什么能产生百万种以上（106~108）的Ig分子呢？其根本原因是V区和C区不同片段在DNA分子水平上发生了被称为种系重组的重排。单一种系状态的Ig基因是不能表达的，只有经过重排才有可能得到表达。321.轻链基因的重排与连接VKJKCKLV1LV2LV3LVn1234C胚

系DNALV1LV2J3J4CB细胞DNALV2J3J4C5’

3’RNA初poly（A）

始转录本LV2J3C5’3’成熟poly（A）mRNAVKCKNCκ链

蛋白

小鼠轻链基因在发育中通过V，J和C基因的重组产生了DNA的重排332.重链基因的重排与连接VHD1~D12JHC胚系

LV1LV2LV3LVn123121234μ

δγ3γ1γ2bγ2aεαDNAB细胞LV1LV2D2J3γ1γ2bγ2aεαDNARNA5’3’

初始转录本poly（A）

成熟

5’3’mRNApoly（A）LV2D2J3γ1

成熟的NC重链蛋白VH区CH区小鼠免疫球蛋白基因在发育中通过V，D，J和C基因片断的重组产生DNA的重排，μ，δ，γ，ε，α分别是IgM，D，G，E和A的基因3410.1.7免疫球蛋白基因表达

1、等位排斥与同型排斥

等位排斥：淋巴细胞中产生免疫球蛋白的基因位于两条同源染色体上，而免疫球蛋白基因的表达只发生在其中一条上，这种因为一条染色体上的基因表达而抑制另一条染色体上相同基因表达的现象。35同型排斥B淋巴细胞的轻链表达时，只生成一种链（κ链或是λ链），不可能同时表达κ链和λ链。等位排斥和同型排斥保证了B淋巴细胞无性系只表达一种特异性抗体。36将未发生重排的种系构型等位基因称为Ig°，发生重排并进行功能表达的等位基因称为Ig+，发生无效重排的无活性等位基因称为Ig-。37细胞中可能存在下述几种情况：

①等位基因之一发生有效重排，产生活性基因，并产生等位排斥，使另一基因的重排和表达受到抑制，这个细胞构型为Ig°/Ig+；38

②等位基因之一发生无效重排，另一个染色体上的基因仍处于种系构型，则该细胞构型为Ig°/Ig-，这样的细胞构型不会抑制另一个等位基因的重排；

③第一次无效重排后，细胞内又发生另一次有效重排，生成Ig+/Ig-，阻止了进一步重排的发生。39胚系基因（Igo/Igo）VJ-CVJ-C有效重排，产生Igo/Ig+

无效重排，产生Igo/Ig－VJ-CVJ-CVJ-CVJ-C转录第二次等位基因重排，产生Ig+

/Ig－翻译J-CIg蛋白VJ-C转录翻译Ig蛋白有效重排产生了有活性的的H和L链，并阻遏了等位基因发生同样的重排（参考B.Lewin:《GENES》Ⅵ，1997，Fig.33.16）40

2、增强子与Ig基因表达

位于每个V基因上都有启动子，但是无活性，必须通过移位到C区才被激活。增强子位于C基因内或在其下游，可以激活V基因的启动子。这个增强子是组织特异性的，只在B细胞中才有活性。V基因一旦移到增强子的作用范围内，其启动子便立即被激活。41在一般情况下，V基因片段启动子处于失活状态。重组后，当启动子位于C基因片段的增强子附近时，启动子活化。启动子（失活）增强子VgeneCgene

PromoterEnhancer

转录

V基因移到C基因的附近，其启动子被C基因的增强子激活

423、类别转换

抗原激活B细胞后，膜上及分泌的Ig类别会由IgM转成IgG、A、E其它类别，但V区不变；5种Ig类别：IgM、IgD、IgG、IgE和IgA。43IgM（任何B细胞都产生的第一类Ig）IgG具有一定的活化补体的能力，导致侵入细胞的破坏。IgA在分泌液中（如唾液）;IgE和变态反应有关，且可抵御寄生虫。IgD主要出现在成熟的B淋巴细胞的表面上，可能与细胞识别有关。44I型变态反应特异性IgE介导的全身性过敏反应：药物过敏性休克、血清过敏性休克呼吸道过敏反应：过敏性鼻炎和过敏性哮喘消化道过敏反应和皮肤过敏反应出现快，消退也快。出现功能紊乱性疾病，不出现严重组织细胞损伤。有明显个体差异和遗传背景。4546输血反应自身免疫性溶血性贫血药物过敏性血细胞减少症

II型超敏反应47III型超敏反应局部免疫复合物病链球菌感染后肾小球肾炎类风湿性关节炎48495010.1.8主要组织相容复合体的表达调控

1.主要组织相容性复合体概述

引起移植排斥的细胞表面抗原称为组织相容性复合体（majorhistocompatibilitycomplex，MHC），在移植排斥中起决定作用，是机体特异性免疫反应中心。51组织相容性：指器官或组织移植时供者与受者相互接受的程度，不相容就会出现排斥反应。组织相容性抗原：诱导排斥反应的抗原，也称为移植抗原。人和各种哺乳动物的组织相容性抗原都十分复杂，但有一组抗原起决定性作用，称为主要组织相容性抗原（majorhistocompatibilityantigenMHA），其余的称为次要组织相容性抗原。52编码MHA的基因是一组呈高度多态性的基因群，集中分布于生物体内某对染色体上的特定区域，称为主要组织相容性复合体（MHC）。MHC编码的产物即MHA，也称为MHC分子。53细胞毒T细胞通过表面TCR识别呈递于MHC分子表面的异己外源肽段，并直接杀伤呈递这类MHC的细胞。辅助T细胞通过TCR识别II型MHC呈递的外源肽段，辅助B细胞产生抗体。MHC与TCR、Ig相互配合，构成了生物体内复杂多变的免疫反应和应答。5455细胞毒T细胞能识别所有与I型MHC分子相结合的受感染细胞携带的外源蛋白片段。辅助T细胞只能识别抗原呈递细胞（如巨噬细胞和B细胞）表面所携带的外源蛋白。56

CD4和CD8共受体参与辅助T细胞和细胞毒T细胞介导的免疫反应II型MHC蛋白I型MHC蛋白CD8蛋白CD4蛋白5710.2果蝇的发育与调控

果蝇是一种双翅目昆虫，其幼虫和成虫依赖于正在腐烂的果实。果蝇的个体小、生命周期快、繁殖容易，每只雌虫两周就可以产生约300个后代。58果蝇发育的时间周期取决于温度，在25℃下约9-14天为一个周期。第一天为胚胎发生期，经历三个阶段后到第四天蜕皮、分化、蛹化，在蛹中经过5天的变态发育为成虫。成年果蝇存活约9天。果蝇发育的许多特性反映出这非同一般的快速生命周期在进化过程中的演变。59果蝇发育的不同时期分析晚期胚胎体节形成成年果蝇9天变态蛹腹部头胸幼虫受精卵母细胞早期胚胎无体节60成虫变态蛹化幼虫期孵化体节形成器官发生原肠胎形成胎盘形成受精卵果蝇发育的不同时期分析61一、卵子发育果蝇卵细胞在产生过程中就已经开始快速的胚胎发育。果蝇卵在卵巢管中形成。构成卵巢管管壁并围绕未来卵细胞的细胞叫滤泡细胞（folliclecells），类似于脊椎动物卵巢中的卵泡细胞。每个小室中含有一个雌性原始生殖细胞，即卵原细胞（oogonium）。62滤泡细胞抚育细胞前肢背部腹部后端前端卵母细胞63滤泡细胞滋养细胞果蝇卵泡外表面含有一层滤泡细胞，它包围在滋养细胞的四周，滋养细胞紧靠着卵母细胞。滋养细胞通过胞质桥彼此相连，也和卵母细胞的两侧相通。滤泡细胞是体细胞，滋养细胞和卵母细胞是生殖细胞。卵母细胞64卵原细胞经过四次有丝分裂成为16个细胞（称为并合体，fusomes），通过胞质桥构成内部连接，其中之一发育成卵母细胞，其余发育为抚育细胞。卵母细胞为双倍体，完成减数分裂后成为单倍体。抚育细胞是多倍体。65二、胚胎发育1.胚胎发生的准备－卵裂果蝇的胚胎发育非常快，在产卵后立即开始，并在一天内孵化成幼虫。果蝇卵裂异常。细胞核以每9分钟一次的高颇率复制，直至达到约有6000个核并发育成为合胞体。当出现256个以上的细胞核时，这些细胞核开始向卵的外周移动，并定居到皮层组织。66受精卵合胞体胚囊分裂1~8次细胞胚囊672、果蝇胚胎的极性与躯体基本模式果蝇的卵、胚胎、幼虫和成体都具有明确的前-后轴和背-腹轴，其形体模式沿前-后轴和背-腹轴进行。果蝇胚胎和幼虫均沿前-后轴显示规律性分节，分属3个解剖区，从前到后称为头节，3个胸节及8个腹节。果蝇幼虫前后端又特化产生原头和尾节。6869在果蝇发育的卵细胞阶段，由于抚育细胞和卵泡细胞的分泌和诱导，在长椭圆形的卵细胞两端分别差异性地锚定和贮存了特异性翻译调控因子bicoid和nanosmRNA。70进入胚胎发育阶段后，BICOID蛋白由前向后梯度性递减，NANOS则呈梯度性递增分布。BICOID蛋白对caudalmRNA、NANOS蛋白对hunchbackmRNA的翻译分别具有抑制作用，使HUNCHBACK蛋白含量由前向后逐渐降低，而CAUDAL蛋白的含量则渐次增高。714个形态发生决定基因参与调控胚胎前-后轴形成biocoid

和hunchback调控胚胎前端结构的形成；nanos和caudal调控胚胎后端结构的形成。72形态发生决定基因表达以后，首先激活间隙基因表达，再由间隙基因激活成对控制基因，由成对控制基因激活体节极性基因表达。间隙基因、成对控制基因及体节极性基因产物能调节同源域基因表达，最终决定每个体节的命运。73Krüppel是转录因子，锌指蛋白，属Gap基因Knirps是转录因子，属Gap基因Sexcombsreducedgene母源性基因HB蛋白浓度梯度间隙基因成对控制基因体节极性基因同源异型基因前端—后端果蝇胚胎模式建立过程中关键基因的表达顺序743．TORSO信号途径控制的末端系统如果控制前端和后端系统的基因都发生突变，果蝇仍可在第三个前-后轴确定系统（末端系统）的作用下发育成具有两个尾节的胚胎。该系统包括大约9个母源效应基因。torso是关键基因，编码了跨膜酪氨酸激酶受体，在整个合胞体胚胎的表面表达。754．影响果蝇背腹极性的基因

toll基因产物是卵细胞上的跨膜受体蛋白，其作用是感知外部信号并提示胚胎在何处产生腹侧。该受体与调控果蝇腹侧发育的外部信号可能是由一种蛋白酶从锚定复合体中释放出并定位于卵细胞周围外卵黄膜上或附近的母源效应基因spatzl的表达产物。76

Spatzl前体定位于卵子的腹侧而不是背侧，因为只有在腹侧的受体能找到配基。被配基占据的受体能使DORSAL蛋白磷酸化从而引起该蛋白的重新分布，保证胚胎腹侧的细胞核中DORSAL蛋白浓度较高。胚胎中dorsal基因缺失时，胚胎不能产生腹侧结构。77在果蝇早期胚中位置信息建立了背腹轴核梯度和DL蛋白（dolsa的产物）的胞质定位。SPZ配体和TOLL受体结合，通过TUB和PLL两种蛋白激活单个的传导级联，使DL磷酸化，并从CACT中释放出，然后能移入核，在核中它作为D－V主要基因的转录因子。CACT（cactus仙人掌）（spaetzle）卵周膜卵周液Dorsalcactus785．控制果蝇躯体分节或影响体节发育的基因在合胞体囊胚层中，胚胎细胞开始转录和表达自身基因产物（主要是转录调控因子）。这些蛋白在体内并不呈均匀分布，而是在空间上被限制在某些表达区，形成特殊的表达模式。79（1）间隙基因

这类基因包括hunchback（hb）、krüppel和Knirps（kni）等。这些基因的表达很有特点，最初在整个胚胎中都有很弱的表达，以后随着卵裂的进行而逐渐变转成一些不连续的表达区带。80（2）成对规则基因

这些基因一般以两个体节为单位相互间隔一个副体节表达，其分布具有周期性。其功能是把间隙基因确定的区域进一步分化成体节。成对规则基因的表达是胚胎出现分节的最早标志之一，它们沿前-后轴形成斑马纹状的条带分布，正好把胚胎分为预定的体节。81配对规则基因ftz（蓝色）和eve（棕色）在晚期囊胚中的表达模式82（3）体节极化基因

当果蝇体节极化基因发生突变时，每个体节都会缺失一个特定的区域。engrailed（en）和wingless（wn）基因是两个最重要的体节极化基因。83这两个基因表达的区域确立了副体节的界线。en和wg受含有同源异型框的成对规则基因eve和ftz等的制约。En基因在FTZ和EVE基因产物的浓度达到一定阈值以后时才能被激活，但wg基因的活化浓度显著低于这一阈值。846．影响果蝇体节一致性的基因---同源域基因同源域基因决定躯体体节命运。躯体的某一部分最终发育成为无翅的前胸还是有翅的中胸，是有平衡器的后胸还是腹部的体节，都由同源域基因决定。85在果蝇中同源域基因统称HOM复合体（HOM-C）。大多数同源域基因位于第三号染色体上，排成两簇。一簇称为触角复合体（Antp-C）;另一簇称为双胸复合体（BX-C）。果蝇的Antennapedia突变就是一个典型的例